如何提高学生工程实践能力——《工程流体力学》教学设计和方法探讨

许坤波 李晓晖 张艳芹 李 猛 马艳萍

（1.南京工程学院机械学院 江苏·南京 211167；2.南京工程学院教务处 江苏·南京 211167）

0 引言

众所周知，如何提高高等工科院校毕业生的工程素养及综合能力是大家所关心而且急待解决的重要课题。培养学生的工程素养是当前工程教育改革的一个重要方向。教育部在“卓越工程师”培养计划和工程教育专业认证中都把培养学生的工程素养作为专业培养的重要环节和考核点[1]。工程素养就是一个工程师应具备的基本知识、基本理论和基本技能，一定的工程实践训练和严格有素的工程习惯，而综合能力是指自学能力、知识扩展能力、形象思维和逻辑思维能力，创新能力和表达与组织管理能力[2]。近年来，在工程教育认证的引导下，各校在该领域进行了大量实质性探索，取得了很多可借鉴用于提高学生工程实践能力的经验[3]，下面，笔者就《工程流体力学》这门课来阐述在教学中的体会。

《工程流体力学》是一门主要专业基础课，其目的是使学生能够应用数学、自然科学和工程科学基本原理，掌握流体力学中的工作介质的基本特点，熟练掌握工程流体静力学、运动学、动力学的基本概念和理论规律，并具备将其应用于复杂机械工程系统来有效识别和判断工程问题关键环节的能力。在工程教育认证视域中的教学实践中，如何培养与提高学生工程素养及综合实践能力尤为重要。笔者在教学设计和方法中重点关注理论知识讲授、工程计算能力和工程表达能力，本文就这三个方面来探讨解决方法和实施对策。

1 理论知识讲授──教学过程与方法设计

理论知识是基础，所有的工程训练都应该在理论知识的支持和指导下进行，忽视理论知识而一味强调实践是一种不可取的方法。如图1所示，在整个教学设计中分为导入新课、实践启迪、知识讲授、思政融入、总结提升和巩固拓展。比如《工程流体力学》中关于流体粘性的章节，教学设计中以流体的固有特征粘性为主线，引入生活中常见的流动现象，理论联系实际贯彻学以致用的教学理念，按照认知规律设计教学过程，并通过问题启发、任务驱动、丰富互动、答案探究、多媒体动态展示和课外拓展等不同教学方法，结合思政元素和实例分析，将实际工程问题层层递进分解，充分锻炼学生分析实际问题的解构思维，获得应对复杂工程问题的方式方法。

图1：教学过程设计

1.1 教学过程设计

在新课程讲授的开始阶段，以实际生活中的典型现象为例，从其共通原理出发，通过好奇和兴趣共同驱使，引出课程的主题。其次，以全球知名汽车生产商的跑车为例，直观展示流动阻力产生的影响，介绍流体力学在汽车外形设计中的应用，理实结合，提升学生工程应用能力。在流体粘性的特征讲解中，引入船舶行驶和飞机航行过程的阻力变化特性不同来引入气体和液体的粘性变化规律，更有效地让学生理解粘性性质。

1.2 教学方法设计

需要注意的是，学生工程实践素养和综合能力提高的程度，不仅取决于教师对本课程专业的知识体系深度或课程提供的客观条件，学生学习的主动性和积极性，对课程讲授以及工程实践能力培养有更加重要的作用。如何在课程讲授中通过合理的教学方法设计，使得学生在课堂教学中能集中精神并积极参与也是课程教学设计的重要内容。

在《工程流体力学》讲授中，采用启发式互动教学、案例式教学、任务驱动、探究式教学等教学方法，在流体粘性讲授中，以著名的雷诺实验为例，通过将实际问题抽象化，由浅入深实现复杂问题的条理解构，利用简单模型进行有效分析研究。引入项目化思维，让学生在课程讲授中能带着问题去学习。课程中经常采用多媒体动画演示，在讲解流体粘性的关键问题时，以计算机模拟仿真的卡门涡街结果为例，结合图片、动画和视频演示，动静结合，图影并茂，牢牢抓住学生注意力。在课程讲授中，以世界著名的科学家，我国两弹一星功勋奖章获得者钱学森为例，向大家介绍流体力学在导弹研制过程中的作用，体现爱国科学家的振兴中华使命感。在课程知识点完整讲授后，进行及时例题总结，通过在关键知识点后进行例题讲授，让学生理清思维，深入理解知识的内在原理，从对知识被动接收转化为主动吸入，在课程末尾对课程导入时提出的问题进行反馈总结，以此为契机进行课外拓展，实现课程教学的有效闭环。

图2：教学方法设计

2 加强工程计算能力

《工程流体力学》也是一门工程性很强的课程，涉及的知识面很广，其中涵盖的公式种类繁多，运用的数学原理和众多。但这门课程的学习重点不同于一般的力学课程，推导公式和数学技巧不是该门课程的重点，为了突出其工程应用特性，在课程中会重点关注基本公式概念的理解，掌握各公式参数之间的代数关系，培养学生解决工程实际问题的思路和方法，正确应用公式，合理计算出流动中的力学参数是必须能力。

以计算流体管路的损失为例，两贮水池由直径为10cm，长度为50m的铁管链接，每部安装有一个球阀，为了保证体积流量为0.04立方米/秒，需要计算高度H。通过回顾理论课程讲授中对于流动阻力的分类，这种工程问题需要计算两种阻力，分别是沿程阻力和局部阻力。即计算出阻力为

3 强化工程表达能力

工程表达能力是指对工程实际问题能够合理抽象，利用简化模型进行建模，并联合理论知识中的公式和结论，进行实际问题求解的能力。

通过课程设计，使学生了解一个完整的课题设计过程，扩展学生解决实际问题的全局思维，并有效提高其计算能力、绘图表达能力等。旨在通过强化工程表达能力，使学生掌握流体力学的基本特性、理论，掌握工程流体力学的静力学、运动学中的基本方程式，了解并掌握流体动力学中的伯努利方程的意义及其应用，能够运用相似原理和量纲分析理论对实际问题进行研究，具备流体运动阻力和损失计算以及管路水力计算的能力，具备能够将其应用于机械工程领域的能力。